(57)【要約】【課題】  溶湯内への不純物混入を確実に防止する。【解決手段】  溶湯７を収容し上部に開口部を有する鋳型２と、溶湯７浴面に向かって不活性ガス８を供給するガス管５と、ガス管５を挿通させるための挿通孔６ａを有して鋳型２の開口部に取り付けられる蓋６とを備える。蓋６が鋳型２の開口部に取り付けられた状態で鋳型２の内部と外部とを連通させる複数の隙間１４…を有する。複数の隙間１４…の総面積を、鋳型２の開口部の面積の５％以下に設定する。複数の隙間１４…のそれぞれに内接する円の最大外径を、すべて２ｍｍ以上に設定する。【選択図】      図２
2005088056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶湯を収容し上部に開口部を有する鋳型と、前記溶湯浴面に向かって不活性ガスを供給するガス管と、該ガス管を挿通させるための挿通孔を有して前記鋳型の開口部に取り付けられる蓋と、を備えた鋳造装置において、
前記蓋が前記鋳型の開口部に取り付けられた状態で前記鋳型の内部と外部とを連通させる複数の隙間を有し、
これら複数の隙間の総面積が前記開口部の面積の５％以下に設定されているとともに、これら複数の隙間のそれぞれに内接する円の最大外径がすべて２ｍｍ以上に設定されていることを特徴とする鋳造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の鋳造装置において、
前記複数の隙間は、前記鋳型の上縁と前記蓋の周縁との間に形成されていることを特徴とする鋳造装置。
【請求項３】
請求項１に記載の鋳造装置において、
前記複数の隙間は、前記蓋を貫通するように形成されていることを特徴とする鋳造装置。
【請求項４】
請求項３に記載の鋳造装置において、
前記複数の隙間は、前記鋳型の上縁寄りの位置に形成されていることを特徴とする鋳造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不活性ガス雰囲気下で多結晶シリコンインゴット等を製造するための鋳造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばシリコン（Ｓｉ）や高融点金属など、超高純度が要求される材料や大気中において鋳型に鋳込むと酸化しやすい材料に関しては、不活性ガスを吹き付けて鋳型近傍を不活性雰囲気にしつつ鋳造が行われる。とくに、太陽電池等に用いられる多結晶シリコンインゴットを作製する場合、シリコン溶湯表面にアルゴン（Ａｒ）ガスを吹き付けながら鋳造を行う技術が用いられている。
【０００３】
このようなＡｒガスの供給により、溶湯から発生する酸化シリコン（ＳｉＯ）ガスを除去するとともにＳｉＯガスと炉材のカーボン（Ｃ）とが反応して生成される炭酸（ＣＯ）ガスが溶湯内に混入することを抑制している。とくに、ＣＯガスが溶湯内に混入するとインゴットにカーボンが多く含まれてしまい製品特性に悪影響を及ぼすことが分かっている。
従来、上記カーボン混入を防ぐため、例えば特許文献１においては、Ａｒガスを供給するためのガス管とともに鋳型の開口部に蓋を設ける技術が採用されている。
【特許文献１】特開２０００−１５８０９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載の発明については、鋳型内におけるガスの流入及び流出が対称系、すなわち、ガスの流入が鋳型の中心であるとともにガスの流出が鋳型の中心に対して軸対称あるいは回転対称であることが必須要件である。
ガスを鋳型内に流入させるために設けられるガス管の吹き込み口を、鋳型の中心に配置することにより、鋳型の開口部と蓋とで形成された上記軸対称あるいは回転対称な隙間を介して、鋳型内のガスを鋳型外へ流出させ続けることができ、ガスが上記隙間を介して鋳型内へ流れ込むような逆流現象が生じずに、溶湯内への不純物の混入を防止することができるのである。
【０００５】
しかしながら、操業上のヒューマンエラーや装置構造の制約、さらには防ぎきれない誤差などにより、ガスの流入及び流出を常に対称系することは極めて困難である。しかも、鋳造炉内全体の温度を完全に均一にすることは事実上不可能であり、ガス管に生じる温度差による熱歪みが生じることから、あらかじめガスの流入及び流出を対称系となるようにセットしたとしても、その後の昇温過程中に対称性が失われる場合もある。
【０００６】
このようにして、ガスの流入及び流出の対称系が崩れてしまうと、不純物が溶湯内に混入する場合があり、製品歩留まりを低下させて、コスト高の要因となってしまうのであった。
なお、上記の隙間を介してガスが鋳型内に流入してしまうような場合、直感的には供給する不活性ガスの流量を増大させると、鋳型内と鋳型外とで圧力差が生じてその流れを防ぐことができると思いがちであるが、実際には、ガスの流出とガスの流入とが双方とも増えてしまい、何の解決にも至らない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、溶湯内への不純物混入を確実に防止することができる鋳造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、鋭意検討を続けた結果、蓋が鋳型の開口部に取り付けられた状態で鋳型内と鋳型外とを連通させる隙間について、その面積を小さく設定してやれば、たとえガスの流入及び流出の対称系が崩れてしまった場合であっても、ガスが上記隙間を介して鋳型外から鋳型内へ流入してしまうのを確実に防止することができるのを見出した。
【０００９】
このようにしてなされた本発明は、溶湯を収容し上部に開口部を有する鋳型と、前記溶湯浴面に向かって不活性ガスを供給するガス管と、該ガス管を挿通させるための挿通孔を有して前記鋳型の開口部に取り付けられる蓋と、を備えた鋳造装置において、前記蓋が前記鋳型の開口部に取り付けられた状態で前記鋳型の内部と外部とを連通させる複数の隙間を有し、これら複数の隙間の総面積が前記開口部の面積の５％以下に設定されているとともに、これら複数の隙間のそれぞれに内接する円の最大外径がすべて２ｍｍ以上に設定されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、蓋が鋳型の開口部に取り付けられた状態で形成される複数の隙間について、その総面積を鋳型開口部の面積の５％以下に設定したために、ガスの流入及び流出の対称系が崩れている場合であっても、上記隙間を介して鋳型外から鋳型内にガスが流入することがなくなり、これにともない、溶湯中に不純物が混入してしまうようなおそれをなくすことができる。しかも、複数の隙間のそれぞれに内接する円の最大外径をすべて２ｍｍ以上に設定していることから、ガスが固体化してこの隙間に付着してしまうようなことがなくなり、ガスを流出させるための隙間が閉塞されることはない。
【００１１】
また、本発明において、前記複数の隙間は、前記鋳型の上縁と前記蓋の周縁との間に形成されていてもよいし、あるいは、前記蓋を貫通するように形成されていてもよい。
とくに、複数の隙間が蓋を貫通するように形成されている場合には、この蓋が鋳型の開口部に対して多少ずれたとしても、複数の隙間の総面積が変化するのを防止することができる。なお、前記複数の隙間は、前記鋳型の上縁寄りの位置に形成されていることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の第一実施形態を添付した図１〜図２を参照しながら説明する。
【００１３】
本第一実施形態による鋳造装置１は、図１に示すように、溶湯７を収容し上部に開口部を有する鋳型２と、鋳型２の上方に配置された上部ヒータ３と、鋳型２の下方に配置された下部ヒータ４と、不活性ガス８を溶湯７浴面に向かって供給するガス管５と、溶湯７浴面と上部ヒータ３との間に配された蓋６とを備えている。これらは、保温材からなる天井部１０と底部１１と側壁部１２とによって囲まれている。また、これらの部材はチャンバ１７によって外気と遮断されている。
【００１４】
有底筒状に形成された鋳型２は、図２に示すように、平面視略円形の丸型に形成されており、その開口部を取り囲むような平面視略円形のリング型をなす上縁２ａを有している。この鋳型２の内部には例えばシリコン融液からなる溶湯７が収容されている。
上部ヒータ３及び下部ヒータ４は、電極棒１５によって支持されている。また、貫通孔４ａに挿通した支持部９の上端には冷却板１３が設置されており、この冷却板１３の上面には鋳型２が載置されている。
【００１５】
モリブデンまたはカーボン製のガス管５は、チャンバ１７に支持されており、該チャンバ１７から下方に延びるように設けられている。また、このガス管５は、上部ヒータ３の中心近傍に形成された貫通孔３ａに挿通させられており、その下端である吹き込み口５ａが溶湯７の浴面近傍まで達している。そして、ガス管５の吹き込み口５ａからは、図示しないガス供給部から供給されるＡｒガスなどの不活性ガスが、溶湯７の浴面に向かって吹き付けられるようになっている。
【００１６】
鋳型２の上縁２ａには、カーボンまたはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）または表面がＳｉＣ化したカーボン製の蓋６が、この鋳型２の開口部を覆うようにして載置されて取り付けられている。蓋６の中心近傍には、この蓋６を貫通する挿通孔６ａが形成されていて、該挿通孔６ａにガス管５の下端部が挿通させられている。なお、蓋６がＳｉＣまたは表面がＳｉＣ化したカーボン製である場合には、溶湯７を凝固させて多結晶シリコンインゴットを得る際に、蓋６がカーボン製である場合に比べて蓋６下面からの不純物混入をより防ぐことができる。
【００１７】
蓋６は、図２の平面図に示すように、平面視略正方形（四角形）の角型に形成されていて、鋳型２の開口部を完全には覆うことがないような形状とされている。そのため、蓋６の四辺である周縁６ｂと鋳型２の上縁２ａとの間に、略同形状である例えば四つ（複数）の隙間１４…が、鋳型２の周方向で略等間隔に配置されるとともに挿通孔６ａに関して対称となるように形成されている。これにより、蓋６が鋳型２の上縁２ａに載置されて鋳型２の開口部に取り付けられた状態で、上記複数の隙間１４…が鋳型２の内部と外部とを連通させている。
【００１８】
ここで、図２に示す平面視において、蓋６の周縁６ｂと鋳型２の上縁２ａとの間に形成された複数の隙間１４…の総面積が、ガス管５の吹き込み口５ａの面積以上、かつ、鋳型２の開口部の面積に対して５％以下となるように設定されている。さらに、複数の隙間１４…のそれぞれに内接する円の最大外径がすべて２ｍｍ以上に設定されている。なお、複数の隙間１４…の総面積を鋳型２の開口部の面積に対して５％以下と設定したのは、これが５％を超えると、上述したようなガスの流出及び流入の対称系が崩れたときに、隙間１４…を介して鋳型２内へガスが流入するからであり、また、複数の隙間１４…のそれぞれに内接する円の最大外径をすべて２ｍｍ以上に設定したのは、２ｍｍより小さい最大外径の内接円を有する隙間１４が、固体化したガスの付着によって閉塞されてしまうおそれがあるからである。
【００１９】
このような構成をもつ鋳造装置１において鋳造を行うには、まず鋳型２にＳｉなどの原料を装填する。そして、上部ヒータ３と下部ヒータ４とを稼動させて装填した原料を溶融させる。このとき、ガス管５の吹き込み口５ａからは、溶湯７浴面に向かって不活性ガス８が供給されており、該不活性ガス８は、蓋６の中心近傍から該蓋６の下面に沿って流れつつ、放射状に間隙１４から排出される。
【００２０】
溶融された原料は溶湯７として鋳型２内に収容される。次いで下部ヒータ４の稼動を停止させ、不活性ガス８を供給しつつ、冷却板１３によって鋳型２の熱を該鋳型２の下方から抜熱させ、凝固温度以下まで降温する。これにともなって鋳型２に収容されている溶湯７は下方から徐々に凝固される。このとき、溶湯７は上下方向に沿って配向しながら凝固し、一方向に配向した組織を持つ多結晶シリコンインゴットが生成される。
【００２１】
以上説明したような本第一実施形態の鋳造装置１によれば、蓋６が鋳型２の開口部に取り付けられた状態で形成される複数の隙間１４…について、その総面積を鋳型２の開口部の面積の５％以下（より好ましくは３％以下）に設定したため、ガスの流入及び流出の対称系が崩れている場合であっても、上記複数の隙間１４…を介して鋳型２外から鋳型２内にガスが流入するのをなくして、溶湯７中に不純物が混入するおそれをなくすことができる。
【００２２】
また、ガスの流入及び流出の対称性が崩れたとしても、鋳型２内にガスが流れ込むことがなくなるということは、作業上でも多くの誤差が許容されることとなり、作業者の負担が減る上、蓋６及びガス管５の吹き込み口５ａそのものの公差も大きくなり、コストダウンにつながることになる。
【００２３】
さらに、複数の隙間１４…のそれぞれに内接する円の最大外径をすべて２ｍｍ以上に設定していることから、ＳｉＯガスが固体化してこの隙間に付着してしまうようなことがなくなり、ガスを流出させるための隙間１４…が閉塞されるようなことはない。
【００２４】
ここで、複数の隙間１４…の総面積があまりに小さすぎる、例えばこの総面積がガス管５の吹き込み口５ａの面積よりも小さくなっている場合には、複数の隙間１４…から流出するガス流速が吹き込み口５ａ以上に速くなるため、炉内のガスの流れが大幅に乱れ、炉内の炉壁に付着している付着物が個体のまま落下したりするおそれや、複数の隙間１４…に対してＳｉＯガスが固体化して付着し、該隙間１４…が閉塞されてしまうおそれがある。さらに、溶湯７浴面に供給する不活性ガス８の流量によっては鋳型２内の圧力が増し、蓋が浮いたり大きくずれたりするおそれもある。そのため、複数の隙間１４…の総面積は、ガス管５の吹き込み口５ａの面積以上に設定されていることが好ましい。
【００２５】
次に、本発明の第二実施形態を添付した図３を参照しながら説明するが、上述した第一実施形態と同様の部分には同一の符号を用いてその説明を省略する。
【００２６】
本第二実施形態による鋳造装置１において、蓋６は、図３の平面図に示すように、平面視略円形の丸型に形成されていて、鋳型２の開口部を完全に覆うような形状とされている。また、蓋６には、該蓋６を貫通するようにして、略同径の円形である例えば四つ（複数）の隙間１４…が、鋳型２の周方向で略等間隔に配置されるとともに挿通孔６ａに関して対称となるように形成されている。さらに、複数の隙間１４は、鋳型２の上縁２ａ寄り、すなわち鋳型２の半径方向外周側寄りの位置に形成されている。これにより、蓋６が鋳型２の上縁２ａに載置されて鋳型２の開口部に取り付けられた状態で、上記複数の隙間１４…が鋳型２の内部と外部とを連通させている。
【００２７】
ここで、図３に示す平面視において、蓋６を貫通するように形成された複数の隙間１４…の総面積が、ガス管５の吹き込み口５ａの面積以上、かつ、鋳型２の開口部の面積に対して５％以下となるように設定されている。さらに、複数の隙間１４…のそれぞれに内接する円の最大外径、つまり、円形である各隙間１４の外径がすべて２ｍｍ以上に設定されている。
【００２８】
このような第二実施形態による鋳造装置１であっても、上述した第一実施形態と同様の効果を得ることができるのに加えて、複数の隙間１４…が蓋６を貫通するように形成されていることによって、この蓋６が鋳型２の開口部に対して多少ずれたとしても、複数の隙間１４…の総面積が変化するのを防止することができ、ガスの流れを安定した状態に維持し続けることができる。
【００２９】
ここで、本第二実施形態においては、蓋６を貫通する複数の隙間１４…を形成しているため、この蓋６の面内であれば複数の隙間１４…をいずれの箇所にも形成することが可能であるが、例えば、複数の隙間１４…があまりにも蓋６の一方側に偏って形成されていたりする場合には、鋳型２内でガス流速の極めておそい領域が存在してしまうおそれがある。そのため、これら複数の隙間１４…は、上述した図３に示すように、互いに略同形状であって、鋳型２の周方向で略等間隔に配置されるとともに挿通孔６ａに関して対称となるように形成され、さらに、鋳型２の上縁２ａ寄りの位置に形成されていることが好ましい。
【００３０】
なお、上述した各実施形態においては、本発明の鋳造装置に用いられる一例としての鋳型２、蓋６及び隙間１４…の構成を示しているものであって、これらの各実施形態に本発明が限定されることはない。
図４に示す本発明の第三実施形態（第一実施形態と類似した構成）のように、平面視略正方形（四角形）の角形をなす鋳型２と、例えば平面視略六角形の蓋６との組み合わせを用いて、蓋６の周縁６ｂと鋳型２の上縁２ａとの間に複数の隙間１４…を形成してもよいし、図５に示す本発明の第四実施形態（第二実施形態と類似した構成）のように、平面視略正方形（四角形）の角形をなす鋳型２と、平面視略正方形（四角形）との組み合わせを用いて、蓋６を貫通する複数の隙間１４…を形成してもよい。
要は、鋳造装置１が、蓋６が鋳型２の開口部に取り付けられた状態で鋳型２の内部と外部とを連通させる複数の隙間１４…を有していて、これら複数の隙間１４が鋳型２の開口部の面積の５％以下に設定されているとともに、これら複数の隙間１４…のそれぞれに内接する円の最大外径がすべて２ｍｍ以上に設定されていればよいのである。
【００３１】
〈実験例〉
本発明の効果を検証するため、シミュレーションを行った。その結果を図６〜図９に示す。また、シミュレーション条件は以下の通りである。
ソフト名：ＰＨＯＥＮＩＣＳ
用途：三次元熱流体解析ソフト
設定条件：
鋳型  φ４６０ｍｍ
鋳造炉  １９００ｍｍ×１９００ｍｍ×Ｈ２３００ｍｍ（ただし炉の下部７００ｍｍは解析せず）
吹き込み口  φ２０ｍｍ
吹き込みガス温度  ２０゜Ｃ
要素数（メッシュ数）  ５５００００
乱流解析モデルを使用
物性値：
比重  １．３２ｋｇ／ｍ３
粘性係数  １．５Ｅ−５Ｐａ・ｓｅｃ
【００３２】
図６に示すように、本発明１（鋳型の開口部を完全に覆うことがないように□４４０ｍｍの蓋を載置し、４つの隙間を形成したもの）、本発明２（鋳型の開口部を完全に覆うように蓋を載置し、この蓋を貫通するφ４０の隙間を、φ３８０を中心として４つ配置したもの）、及び、本発明３（鋳型の開口部を完全に覆うように蓋を載置し、この蓋を貫通するφ５０の隙間を、φ３８０を中心として４つ配置したもの）は、複数の隙間の総面積が適切な値に設定されていたために、いずれも結果が良好であったのに対し、従来例１〜５は、何らかの不具合が生じており、本発明における範囲限定が適切なものであることが分かる。
【００３３】
また、図６で例示した本発明２、従来例１及び従来例４について、Ａｒガスの流量を４０ｌ／ｍｉｎ、６０ｌ／ｍｉｎ、８０ｌ／ｍｉｎと変化させたとき、その鋳型内のＣＯ２濃度がどのように変化するかを実験により検証した。具体的には、４５０ｐｐｍのＣＯ２を含む大気中に鋳型、原料、ガス管、蓋を実機と同様に設置し、ＣＯ２を含まない空気を吹き込むことにより、シミュレーション結果を検証する実験を行った。その結果を図７〜図９に示す。
これら図７〜図９に示すように、本発明２では、鋳型内のＣＯ２濃度が容易に０ｐｐｍに達していたのに対して、従来例１・４では、隙間を介して鋳型内へガスが流入する現象が生じてしまって、鋳型内のＣＯ２濃度が容易に０ｐｐｍには達していないことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第一実施形態による鋳造装置を示す側方断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態による鋳造装置において、鋳型の開口部に蓋が取り付けられた状態を示す平面図である。
【図３】本発明の第二実施形態による鋳造装置において、鋳型の開口部に蓋が取り付けられた状態を示す平面図である。
【図４】本発明の第三実施形態による鋳造装置において、鋳型の開口部に蓋が取り付けられた状態を示す平面図である。
【図５】本発明の第四実施形態による鋳造装置において、鋳型の開口部に蓋が取り付けられた状態を示す平面図である。
【図６】シミュレーションの結果を示す表である。
【図７】シミュレーション結果の実証試験の結果を示すグラフである。
【図８】シミュレーション結果の実証試験の結果を示すグラフである。
【図９】シミュレーション結果の実証試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１  鋳造装置
２  鋳型
２ａ  上縁
５  ガス管
５ａ  吹き込み口
６  蓋
６ａ  挿通孔
６ｂ  周縁
７  溶湯
１４  隙間
【図１】
2005088056.tif 000003
【図２】
2005088056.tif 000004
【図３】
2005088056.tif 000005
【図４】
2005088056.tif 000006
【図５】
2005088056.tif 000007
【図６】
2005088056.tif 000008
【図７】
2005088056.tif 000009
【図８】
2005088056.tif 000010
【図９】
2005088056.tif 000011